專利名稱：多級的過電壓保護電路、尤其是用于信息技術(shù)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的、尤其是用于信息技術(shù)設(shè)備的多級的過電壓保護電路，具有至少一個粗保護元件和至少一個精細(xì)保護元件，所述至少一個精細(xì)保護元件能根據(jù)閾值由控制裝置激活。
背景技術(shù)：
由多級組成的過電壓保護電路屬于現(xiàn)有技術(shù)。在此，第一級通常由可導(dǎo)出大電流的元件構(gòu)成，但具有相對高的起動電壓。這種元件可以是氣體放電器。雖然這種保護電路可在設(shè)備中在大的額定電壓范圍內(nèi)使用，但這種保護電路由于較高的保護電平尚不能獨自為信息技術(shù)裝置如計算機、電話設(shè)備或類似物提供足夠的保護。因此通常還設(shè)置另一級，在該另一級中存在精細(xì)保護元件、即Z型二極管、TVS型二極管或類似物，其設(shè)定在信號電壓上，使得確保盡可能接近額定電壓的限制。在粗保護元件和精細(xì)保護元件之間設(shè)置至少一個退耦元件，該退耦元件用于協(xié)調(diào)上述級的狀態(tài)。DE 198 45 281 Al公開了一種具有過電壓保護裝置的放大器電路。在那里晶體管用作精細(xì)保護元件，該晶體管在超過固定預(yù)給定的閾值時使現(xiàn)有的放大器信號線短路。具體地說，在過電壓干擾信號方向上在固有的過電壓放電器后面連接晶體管保護電路，該保護電路的晶體管在一般運行中是阻斷的，并且在出現(xiàn)過電壓時在限制為最大允許電壓的情況下接通。在按DE 10 2004 036 164 Al的用于電壓限制的裝置中設(shè)置至少一個電壓輸入端和一個電壓輸出端。第一電壓限制單元這樣設(shè)有至少一個輸入端和一個輸出端，使得在第一電壓限制單元中，至少一個第一開關(guān)位于在輸入端和輸出端之間。此外，在第一電壓限制單元中還設(shè)有電壓傳感器，這樣構(gòu)造該電壓傳感器，使得該電壓傳感器在第一電壓限制單元的輸入端上存在比預(yù)先規(guī)定的最大電壓值更大的電壓的情況下打開開關(guān)。EP 1 278 283 A2公開了一種用于防止電子元件過電壓的裝置，其具有至少一個晶體管，該晶體管能借助控制電路在預(yù)給定的過電壓值的情況下接通，由此實現(xiàn)干擾電能轉(zhuǎn)化為熱能。在那里使用Z型二極管作為精細(xì)保護元件。PCT/W0 2004/006408 Al公開了一種具有TBU電子退耦元件的保護電路，這種退耦元件在大于一電流值時變?yōu)楦咦杩?，從而可以以這種方式限制電流流向終端設(shè)備。該教導(dǎo)的缺點在于在終端設(shè)備中必須存在限制電壓的元件，以便在過電壓時產(chǎn)生足夠大的電流。在按PCT/W0 02/50973 Al的用于解調(diào)器的保護單元中，通過晶閘管接通精細(xì)保護元件。在此通過流向終端設(shè)備的電流來控制晶間管。這種電路布置的缺點在于在終端設(shè)備中也必須存在限制電壓的元件，以便在過電壓時產(chǎn)生足夠的電流。

發(fā)明內(nèi)容
從現(xiàn)有技術(shù)的解決方案出發(fā)，本發(fā)明的目的是提出一種進一步發(fā)展的、尤其是用于信息技術(shù)設(shè)備的多級的過電壓保護電路，該過電壓保護電路可以在盡可能大的電壓范圍中使用并且借助其可以實現(xiàn)盡可能接近運行電壓地限制過電壓。本發(fā)明的目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的教導(dǎo)的特征組合來解決，從屬權(quán)利要求給出了至少符合目的的方案和進一步擴展。本發(fā)明的多級的過電壓保護電路能夠自動調(diào)節(jié)到所施加的運行電壓。當(dāng)過電壓不允許地超過檢測到的運行電壓的值時，進行電壓電平的限制并且導(dǎo)出緊隨著的干擾電流。與已知的過電壓保護電路不同的是，無須為每個運行電壓電平建立特定類型的過電壓保護裝置。按本發(fā)明，所施加的運行電壓被弓I導(dǎo)至分析裝置，該分析裝置產(chǎn)生參考電壓。此外，設(shè)置評價單元，第一是為了檢驗當(dāng)前的運行電壓是否超過參考電壓。第二是用于檢驗超過值是否超過預(yù)先規(guī)定的電平，以及第三是用于確定運行電壓的變化速度是否比另一預(yù)先規(guī)定的值大，如果出現(xiàn)這種情況，則推斷出瞬時過電壓，然后控制裝置從分析裝置獲得激活信號。當(dāng)值超過與較小變化速度聯(lián)系的運行電壓的預(yù)先規(guī)定的電平時，分析裝置產(chǎn)生新的、與當(dāng)前運行情況匹配的當(dāng)前的參考電壓。在本發(fā)明的一種方案中，在分析裝置中運行電壓通過二極管D2被引導(dǎo)至電容器 Cl，所述電容器通過串連電阻R3與運行電壓電勢連接，電容器Cl上作用的電壓是參考電壓。由電阻R3和電容器Cl定義用于運行電壓的變化速度的時間常數(shù)，其中，當(dāng)超過時間常數(shù)時電阻R3上施加可分析的電壓。在電容器Cl和電阻R3之間的連接點上設(shè)置齊納二極管D3，所述齊納二極管限定運行電壓變化的附加范圍。在所述齊納二極管D3的輸出側(cè)設(shè)置逆著運行電壓電勢連接的另一電容器C2，以便限定精細(xì)保護元件的觸發(fā)電壓的上升速度。精細(xì)保護元件通過晶體管來控制，該晶體管的基極連接到電容器C2上。在運行電壓電勢和晶體管的基極之間連接另一用于調(diào)整最大限制電壓的齊納二極管D4。此外，在保護級之間以公知的方式設(shè)置電阻、電感、電容和/或TBU組件形式的退耦元件。


下面應(yīng)借助一個實施例和附圖來進一步說明本發(fā)明。附圖如下圖1現(xiàn)有技術(shù)中已知的過電壓保護電路，該過電壓保護電路由兩個級Al和Vl構(gòu)成并且在輸入端IN和輸出端OUT之間連接有退耦元件Rl ；圖2本發(fā)明裝置的方框圖；圖3有關(guān)通過分析裝置分析電壓變化的流程圖；圖4在圍繞參考電壓如圍繞疊加到供電電壓的信號電壓的允許的范圍內(nèi)變化的電壓時間曲線圖，其中，在此不限制運行電壓的由設(shè)備引起的變化；圖5在超過參考電壓的允許的范圍，但該電壓變化的上升速度沒有超過規(guī)定的值的情況下的電壓時間曲線圖，從而同樣涉及在運行電壓的允許的變化，其結(jié)果是不限制電壓電平，但產(chǎn)生新的參考電壓；圖6在超過圍繞參考電壓的允許的范圍并且該電壓變化的上升速度也超過確定的值的情況下的電壓時間曲線圖，其中涉及瞬時過電壓，其結(jié)果是限制當(dāng)前電壓；圖7過電壓保護電路的實施方式電路技術(shù)方面的第一實施例；圖8用于限制正的和負(fù)的運行電壓的雙極電路設(shè)計的過電壓保護電路的第二實施例；圖9具有電子退耦元件(TBU)的過電壓保護電路的第三實施例。
具體實施例方式如在圖2所示的方框圖，輸入端IN和輸出端OUT之間的過電壓保護電路包括粗保護元件以及可控的精細(xì)保護裝置。上述兩個組件通過退耦裝置相互分開。此外，設(shè)置分析電子裝置，其與控制電子裝置處于連接，控制電子裝置又在輸出端作用于可控的保護裝置。從圖2可看出，所施加的運行電壓輸入給分析電子裝置，該分析電子裝置持續(xù)監(jiān)視運行電壓。如果當(dāng)前電壓上升，則在考慮預(yù)給定的條件下判斷是否出現(xiàn)不允許的過電壓。當(dāng)過電壓的前提條件存在時，通過控制電子裝置或者說控制裝置激活(精細(xì))保護裝置。根據(jù)可控的(精細(xì))保護裝置的功率可將粗保護裝置連接在所述精細(xì)保護裝置的前面。在此分析電子裝置的任務(wù)是在作為過電壓的電壓變化或運行電壓的附加變化之間進行區(qū)分。圖3示出了通過分析電子裝置對電壓變化進行評價的過程。首先由被輸入的運行電壓產(chǎn)生參考電壓，該參考電壓用于調(diào)整過電壓保護電路的額定電壓和限制電壓。如果當(dāng)前的運行電壓相對于參考電壓發(fā)生變化，則進行判定是否存在允許的運行電壓變化或是過電壓。為了進行判定，評價下述條件a)如果變化在圍繞參考電壓的允許的范圍內(nèi)進行，則涉及疊加供電電壓的信號電壓。在這種情況下不限制運行電壓的由設(shè)備引起的變化。圖4示出了相應(yīng)的狀態(tài)。b)對于超過參考電壓的允許的范圍，但該電壓變化的上升速度沒有超過規(guī)定的值，則得出運行電壓的不允許的變化。但此處同樣也還不限制電壓電平，而是產(chǎn)生一個新的參考電壓并且由此確定新的用于過電壓保護電路的額定電壓和限制電壓。圖5示出了該狀態(tài)。c)如果超過圍繞參考電壓的允許的范圍并且該電壓變化的上升速度超過規(guī)定的值，則涉及瞬時過電壓。在該情況下啟動對電壓進行限制，如圖6所示。圖7示出了實踐中實現(xiàn)的用于限制信息技術(shù)設(shè)備中信號的正電壓脈沖的過電壓保護電路的第一實施例。在此晶閘管Tl用作精細(xì)保護元件，其通過晶體管T2進行控制。借助晶體管T2使晶閘管Tl的控制電流減小通過晶體管T2的電流放大因數(shù)，由此減小信號回路的負(fù)荷。電容器Cl的電壓正比于信號電壓的直流分量。通過電阻R3和電容器Cl的時間常數(shù)確定參考電壓的調(diào)整速度。如果所施加的信號的上升速度超過該時間常數(shù)，則在電阻R3上的電壓下降。通過選擇齊納二極管D3的齊納電壓確定運行電壓變化的允許的范圍。在所示具有二極管Dl和晶體管Tl的電路中，得出為Uz+2. 3V的值。當(dāng)R3上的電壓超過該值時，晶閘管Tl觸發(fā)。借助電容器C2限制晶閘管Tl的觸發(fā)電壓的上升速度。有利的是，在具有大的上升速度的信號電壓(方波信號)的情況下避免不希望的觸發(fā)。通過齊納二極管D4確定上述電路的最大限制電壓。圖8示出本發(fā)明一種另外的實施方式，其基于對圖7電路的解釋，但被設(shè)計為雙極的，從而能夠限制正的和負(fù)的運行電壓。圖8所示的用于雙極運行電壓的電路布置在所示的設(shè)計中具有兩個用于相應(yīng)的極性的晶閘管T1、T3。在此可選擇地，也可使用三端雙向可控硅開關(guān)元件。在圖8所示的例子中分析電子裝置是多余的。用于正的直流電壓分量的參考電壓在Cl上產(chǎn)生。在負(fù)的直流電壓的情況下參考電壓在C3上產(chǎn)生。該實施方式的附加優(yōu)點在于可更換過電壓保護電路的接口并且由此得到反極性保護而且消除了安裝時的錯誤。在按圖8的例子中，分別對為此設(shè)置的閘流管上的各極性進行閘流管的控制。在使用三端雙向可控硅開關(guān)元件或使用具有兩個在陽極側(cè)和陰極側(cè)可控的門極的晶閘管的情況下，具有單獨的分析電子裝置和控制裝置的實施方式是可能的。在按圖9的電路布置的實施方式中，將電子退耦元件(TBU)的優(yōu)點與上述本發(fā)明的雙極設(shè)計的可控精細(xì)保護元件的方案結(jié)合起來。圖9中所示電路布置在其分析電子裝置的功能和晶閘管的控制方面很大程度上相應(yīng)于圖8的實施例。區(qū)別在于使用TBU(瞬時閉鎖單元)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻或電感作為退耦元件。TBU的功能可以相當(dāng)于電子開關(guān)的功能。TBU監(jiān)視其輸入端和輸出端之間的電流。 當(dāng)電流超過固定調(diào)整的值時，TBU斷路并且非?？斓厍袛噍斎牒洼敵龆说倪B接。通過該功能可以實現(xiàn)理想的退耦元件，通過該退耦元件，實現(xiàn)電流負(fù)荷極小的精細(xì)保護電路并且由此隨之實現(xiàn)用于保護電平極低的過電壓保護電路。TBU構(gòu)件的缺點在于為了從觸發(fā)狀態(tài)(即高阻抗?fàn)顟B(tài))復(fù)位到初始狀態(tài)(即低阻抗?fàn)顟B(tài))，TBU上的電壓必須低于一個確定的值、在具體的情況下為14V。但在> 14V的直流電壓運行時，如無附加措施這一點就不能保證。通過將電阻并聯(lián)到TBU上得出簡單的方案，按本發(fā)明這在預(yù)先給定最大運行電流的情況下實現(xiàn)。對于所示的例子，可以以下述方式確定該電阻
最大運行電流IOOmATBU上的電壓彡IOVR = 10V/0. IA = 100 Ω當(dāng)然在此也可將以TBU和電阻串聯(lián)和并聯(lián)形式的組合作為退耦元件。為了在TBU觸發(fā)后使其在干擾消退后重新回到其低阻抗的初始狀態(tài)，需要確保TBU上的電壓降降到一個確定的值之下。通過適當(dāng)確定TBU和電阻的組合的尺寸可以確保所需的復(fù)位。上述方案提供一種過電壓保護電路，該過電壓保護電路自動地適配相應(yīng)的運行電壓。當(dāng)檢測到相關(guān)的過電壓時，分析電子裝置用于激活保護裝置。限制電壓的值持續(xù)地適配運行電壓，從而在出現(xiàn)過電壓時為各個當(dāng)前運行電壓值實現(xiàn)最佳的電壓限制。分析電子裝置可以在運行電壓的信號分析(變化速度、電壓的振幅、最大電平)的基礎(chǔ)上進行評價，以便明確得出是否存在允許的運行電壓或過電壓。用于運行電壓的交流電壓分量的控制電路可以低電容地實現(xiàn)并且存在用于正的和負(fù)的信號和運行電壓的電路的雙極實施方式的可能性。起動電壓的限制可通過附加的Z型二極管調(diào)整到固定的上限值，在這種情況下可繞接分析電子裝置直接控制電壓限制電路。通過在實施例中設(shè)置的二極管與晶閘管的串聯(lián)電路可以減小反向電流和整個電路布置的電容量。還應(yīng)指出，按本發(fā)明變化速度(如其在接入運行電壓或運行狀態(tài)改變時出現(xiàn))不應(yīng)導(dǎo)致過電壓保護電路的起動。在此以接入24V直流電運行電壓為例。假定該接入過程可以具有Ims的典型時間，因此得出24V/ms的變化速度。與此相反，過電壓脈沖(如其由于雷電作用或歸因于開關(guān)動作而引起)具有明顯更高的上升速度。例如在電信設(shè)備規(guī)程中詳細(xì)說明具有10/700 μ s脈沖波形和IkV波幅的最低的待假定的影響。由此得出100V/yS的變化速度。
權(quán)利要求
1.多級的過電壓保護電路，尤其是用于信息技術(shù)設(shè)備，具有至少一個粗保護元件和至少一個精細(xì)保護元件，所述至少一個精細(xì)保護元件能根據(jù)閾值由控制裝置激活，其特征在于，所施加的運行電壓被引導(dǎo)至分析裝置，所述分析裝置產(chǎn)生參考電壓，此外設(shè)置評價單元，以便第一是用于檢驗當(dāng)前的運行電壓是否超過參考電壓，第二是用于檢驗超過值是否超過預(yù)先規(guī)定的電平，以及第三是用于確定運行電壓的變化速度是否大于另一預(yù)先規(guī)定的值，因而存在瞬時過電壓，然后控制裝置從分析裝置獲得激活信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的過電壓保護電路，其特征在于，當(dāng)值超過與較小變化速度相關(guān)聯(lián)的運行電壓的預(yù)先規(guī)定的電平時，分析裝置提供新的、與當(dāng)前運行情況相匹配的當(dāng)前的參考電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的過電壓保護電路，其特征在于，在分析裝置中運行電壓通過二極管(擬)到達(dá)電容器(Cl)，所述電容器通過串連電阻0 )與運行電壓電勢連接，其中施加在電容器(Cl)上的電壓是參考電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的過電壓保護電路，其特征在于，由電阻(R3)和電容器(Cl)得出的時間常數(shù)限定運行電壓的變化速度，其中，當(dāng)超過時間常數(shù)時電阻0 )上施加一電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的過電壓保護電路，其特征在于，在電容器(Cl)和電阻(R3)的連接點上設(shè)置齊納二極管(D3)，所述齊納二極管限定運行電壓變化的允許的范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的過電壓保護電路，其特征在于，在所述齊納二極管(D3)的輸出側(cè)設(shè)置朝向運行電壓電勢連接的另一電容器(C2)，以便限定精細(xì)保護元件的觸發(fā)電壓的上升速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的過電壓保護電路，其特征在于，所述精細(xì)保護元件(Tl)通過晶體管0 來控制，該晶體管的基極連接到電容器(以)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的過電壓保護電路，其特征在于，在運行電壓電勢和晶體管(T2)的基極之間連接另一齊納二極管(D4)，用于調(diào)整最大限制電壓。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的過電壓保護電路，其特征在于，在保護級之間連接退耦元件，所述退耦元件的形式為電阻、電感、電容和/或TBU組件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多級的過電壓保護電路，尤其是用于信息技術(shù)設(shè)備，具有至少一個粗保護元件和至少一個精細(xì)保護元件，所述至少一個精細(xì)保護元件能根據(jù)閾值由控制裝置激活。根據(jù)本發(fā)明，所施加的運行電壓被引導(dǎo)至分析裝置，所述分析裝置產(chǎn)生參考電壓，此外設(shè)置評價單元，以便第一是用于檢驗當(dāng)前的運行電壓是否超過參考電壓，第二是用于檢驗超過值是否超過預(yù)先規(guī)定的電平，以及第三是用于確定運行電壓的變化速度是否大于另一預(yù)先規(guī)定的值，因而存在瞬時過電壓，然后控制裝置從分析裝置獲得激活信號。
文檔編號H02H3/44GK102204053SQ200980141698
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月21日
發(fā)明者P·伊格爾, T·伯姆 申請人:德恩及索恩兩合股份有限公司